La fisica del pallone

Scopo di questo e-book è di esplorare il "connubio" tra fisica e sport, prendendo spunto dall'osservazione di un calcio di pallone. L'osservazione e analisi di alcune azioni di gioco attira molto e coinvolge gli studenti, essendo il calcio il più popolare degli sport in Italia, e fornisce al docente l'occasione per introdurre le leggi della fisica.

Le leggi del pallone (e non solo) da Linx Magazine

Come sperimentiamo quotidianamente nella didattica, non c’è libro di fisica che non spieghi le leggi della meccanica utilizzando esempi che coinvolgono atleti impegnati in qualche disciplina sportiva, gente che corre, salta, lancia, calcia, si butta lungo una pista da sci o pattina sul ghiaccio. Non viene trascurato nessuno sport, neanche il curling. Quello che nessuno dice, però, è che chiunque competa nel calcio, nel basket, nel tiro con l’arco o dove vi pare, in qualche maniera – anche se forse non ha mai aperto un libro di fisica – conosce quelle leggi.

Osservare e capire i gesti degli atleti, l’uso e le caratteristiche degli attrezzi sportivi è un modo come un altro per insegnare la fisica, ma bisogna usare qualche cautela, evitando di introdurre complicazioni inutili o semplificazioni eccessive che spesso diventano veri e propri errori. È una fisica calata nel quotidiano, le variabili sono tante e bisogna stare attenti a come si selezionano, a quali sono gli aspetti più rilevanti, quelli che servono per andare oltre il caso specifico e per costruire conoscenza sulle leggi generali che regolano i fenomeni in esame.

La presentazione agli studenti dell'e-book può prendere spunto proprio da due semplici esperimenti, facilmente riproducibili in laboratorio:

1) la palla sospesa e messa in rotazione dall'aria emessa da uno sparafoglie; 2) il piatto di plastica mantenuto in sospensione dall'aria soffiata da un phone illustrati nel video presentato nell'articolo: Fisica del calcio e di altri sport- Geo Scienza di RAiscienze oppure su http://youtu.be/OV7gOsljLb0

continua la lettura su http://magazine.linxedizioni.it/2013/05/07/leggi-del-"pallone/ .

Calci di punizione: tutta una questione di fisica da Tagli.me

Quante volte siamo rimasti letteralmente incantati da un calcio di punizione perfetto? La palla si stacca dal piede del giocatore, disegnando una traiettoria magica nell’aria, scavalcando la barriera, girando all’improvviso e scendendo repentinamente fino ad infilarsi nel sette, proprio là dove il portiere non ci arriverebbe neanche avendo delle molle attaccate alle scarpe. Molti tra i calciofili si ricordano alcune punizioni eccezionali, semplicemente pura magia, un capolavoro da rivedere più e più volte.

Siamo nel Torneo di Francia, un torneo amichevole che anticipava di un anno i Mondiali che da lì a poco si sarebbero tenuti in casa dei transalpini. Nel torneo c’è anche l’Italia, vice campione del mondo allenata da Cesare Maldini, insieme ad inglesi, francesi e brasiliani. Nonostante il torneo sia poco più che un allenamento, nella prima partita Roberto Carlos al 22’ tira fuori dal cappello una punizione impossibile. Un esterno sinistro incredibile calciato da 35 metri con traiettoria a banana e una velocità di 120 km/h. La traiettoria del pallone dopo aver aggirato la barriera, pochi metri prima della porta, cambia direzione e si insacca alle spalle di Barthez.

Schema del calcio di punizione di Roberto Carlos

La visione del video è d'obbligo su: Calcio di punizione di Roberto Carlos oppure su http://youtu.be/lNW_NdA9YEI

Continua la lettura dell'articolo e la visione di video di altre azioni su: http://tagli.me/2013/06/28/calci-di-punizione-tutta-questione-di-fisica/

Lezioni di fisica

da Corso di Laurea in Fisica Facoltà di Scienze dell’Università di Trento

Utilizzando gli approfondimenti teorici cercheremo di rispondere ad alcune domande:

Perché una palla calciata con "l'effetto" devia dalla sua traiettoria iniziale?

Calcio, pallavolo, tennis, golf, sono discipline sportive con regole molto diverse ma con un denominatore comune, il lancio di un oggetto più o meno sferico verso un compagno, un avversario o dentro a una buca. Questi oggetti disegnano in aria traiettorie che possono essere anche molto complesse e che dipendono da come sono fatti gli oggetti stessi, dal modo in cui sono stati colpiti e dalle forze a cui sono soggetti mentre sono in volo. Non si tratta solo della gravità, ma di una combinazione tra questa, la resistenza dell’aria e la forza di Magnus, una specie di portanza, la cui origine risiede proprio nel moto rotatorio del pallone.

Una palla in movimento traslatorio e ruotante attorno ad un asse, passante per il centro di massa e perpendicolare alla direzione del moto, risente di una forza F, ortogonale alla velocità.Tale forza, dovuta all'interazione con il mezzo entro cui la palla si muove, è detta forza di Magnus ed è proporzionale al prodotto vettoriale tra velocità

angolare ω e velocità lineare v, F ∝ ω × v.

Che cos'è l'effetto Magnus?

MOTO SENZA ROTAZIONESupponiamo che una palla si muova di moto traslatorio da sinistra verso destra, senza ruotare, in un fluido. Un osservatore solidale alla palla vedrebbe il fluido venire incontro alla palla da destra verso sinistra. Considerati due punti A e B, diametralmente opposti rispetto alla palla, rispettivamente al di sopra e al di sotto, la velocità del fluido è la medesima pertanto, per la legge di Bernoulli,

anche la pressione PA nel punto A è uguale alla pressione PB nel punto B.Poiché non è presente alcuna differenza di pressione, ne deriva che sulla palla non agisce alcuna forza F perpendicolare alla direzione del moto e la traiettoria della palla rimane rettilinea.

MOTO CON ROTAZIONE Supponiamo ora che la palla ruoti, con velocità angolare ω mentre trasla verso destra. Un osservatore solidale alla palla vedrebbe le molecole del fluido nella zona A muoversi a velocità inferiore rispetto a quelle in B, a causa della combinazione di moto traslatorio e rotatorio, per cui la velocità relativa del fluido in A è vA = v- ωR , mentre in B è vB = v+ ωR.Ne consegue che la pressione PA è maggiore della pressione PB. Si genera pertanto una forza F, ortogonale alla direzione del moto, diretta verso il basso, che fa incurvare la traiettoria originale.

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Come viene applicato l'effetto Magnus nel calcio?

dal Blog SapienteMente- "Effetto Magnus: il tiro ad effetto nel calcio è derivato dalla fluidodinamica".

Ingrediente importantissimo per ottenere un tiro ad effetto, ovvero quella particolare traiettoria che il calciatore imprime alla palla per sorprendere il portiere avversario, è la rotazione impressa sulla palla, verso l'alto o verso il basso, dall'esterno o dall'interno del piede.

Il tiro ad effetto è semplicemente un esempio dell'evento fisico noto come effetto Magnus. Il nome si deve a Heinrich Gustav Magnus, il fisico e chimico tedesco che per primo lo descrisse nel 1852. La branca della fisica di pertinenza di questo effetto è la fluidodinamica.

A quanto spiegato in precedenza sulla Forza di Magnus si deve aggiungere che un corpo, che è contemporaneamente in rotazione sul proprio asse e in movimento all'interno di un fluido, riesce a trascinare con sé lo strato di fluido immediatamente a contatto con la sua superficie, rimanendone quasi imprigionato; a sua volta questo strato determina il trascinamento dello strato

attiguo e così via, con la formazione di strati di fluido rotanti su circonferenze concentriche. I flussi di aria che lambiscono il corpo (in tal caso la palla) sono diversi sulle due facce (superiore ed inferiore o destra e sinistra) a seconda del verso di rotazione del corpo, grazie al trascinamento del fluido attorno al corpo stesso.

Quindi, ricapitolando, i flussi di aria che lambiscono la palla sono quelli determinati dalla rotazione della stessa, a cui si aggiungono quelli derivanti dal flusso di aria dell'ambiente. Ne deriva che dove le correnti sono concordi la velocità dell'aria aumenta, mentre diminuisce dove si contrastano. Questo fa si che da un lato del pallone l'aria è rallentata, mentre dall'altro è più veloce. Per l'equazione di Bernoulli ne consegue che sul lato a minore velocità la pressione è più alta, mentre in quello a velocità maggiore la pressione è più bassa; la differente pressione determina la portanza, ovvero il movimento laterale a parabola della sfera.

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Come ottenere Traiettorie ad Effetto da globuscorporation.com

Quando un pallone viene calciato  la sua traiettoria viene determinata dalle forze che agiscono sul pallone durante il volo. Si possono identificare 3 differenti forze:

1 - La forza di propulsione che viene applicata al pallone dal piede del giocatore: quanto più grande è la forza che viene data al pallone, tanto maggiore sarà la distanza che potrà raggiungere. La velocità del pallone è massima al momento del calcio e diminuisce progressivamente per effetto della resistenza dell'aria

2 - La forza di attrito prodotta dall'avanzamento nell'aria durante il volo. La resistenza dell'aria varia in funzione della dimensione e della forma dell'oggetto, nel nostro caso il pallone, e della velocità di avanzamento. Questa forza è contraria alla forza di propulsione e produce il progressivo rallentamento del pallone.

3 - La forza di gravità (G) che agisce verso il basso ed è costante. Questa forza è responsabile della curvatura della traiettoria verso il terreno. Nel gioco del calcio si possono ottenere particolari effetti di tiro agendo in modo particolare su due importanti fattori:  Velocità della palla e la Rotazione della palla. 

La velocità della palla dipende dalla forza con cui viene calciato il pallone, mentre la rotazione del pallone viene determinata dal modo in cui viene calciato: - Se la palla viene calciata applicando la forza direttamente sul suo centro di massa la palla si muoverà senza entrare in rotazione;

- Se invece viene calciata fuori centro, la palla inizierà il suo volo entrando anche in rotazione. La velocità di rotazione è determinata sia dall'energia applicata che da quanto fuori centro è stato applicato il colpo.I giocatori sanno per esperienza che imprimendo una rotazione alla palla si possono produrre traiettorie caratterizzate da particolari effetti di curvatura: questo effetto è conosciuto in Fisica con il nome di "Effetto Magnus". Quello che non tutti sanno è che la palla durante il suo volo si comporta in modo analogo a quello dell'ala di un aereo che, grazie alla differenza di pressione che si verifica sulle superfici alari, riesce a sostenersi in volo. Vediamo ora i casi che si verificano più di frequente durante il gioco e gli effetti che producono sulla traiettoria del pallone.

1° CASO: Traiettoria di una palla che si muove senza rotazione.

Quando la palla viene calciata l'aria aderisce alla sua superficie sotto forma di sottili strati di aria concentrici. Quando lo strato d'aria più vicino al pallone (strato limite) raggiunge la parte posteriore del pallone è costretto staccarsi creando  una serie di vortici dietro la palla.

V = Velocità di

avanzamento

 

Se la palla viene calciata senza rotazione (come nella figura sotto) il flusso di aria intorno

P = Pressione dell'aria V = Velocità di

avanzamento

 

alla superficie è simmetrico e la pressione dell'aria sarà uguale sulla faccia superiore e sulla faccia inferiore del pallone. La risultante delle pressioni sarà NULLA e quindi la traiettoria del pallone sarà determinata dalla forza di propulsione (calcio) da una parte e dalla forza di gravità e dalle forze di attrito dall'altra.

Ne risultano traiettorie regolari con una curvatura solo sul piano verticale dovuta alla forza di gravità. Nei tiri di potenza e a distanza ravvicinata l'influenza della forza di gravità è così bassa rispetto alla forza di propulsione che i tiri appaiono pressoché rettilinei. Per il principio di Bernoulli la pressione esercitata da un gas (aria) sulla superficie di un corpo è inversamente proporzionale alla velocità del gas stesso sulla superficie: alta velocità = bassa pressione e bassa velocità = alta pressione.

Ecco come Eurogoal riproduce un tiro di potenza senza rotazione: La traiettoria appare pressoché rettilinea e molto precisa.

 

2° CASO: Traiettoria di una palla che si muove con rotazione.

Se la palla viene calciata mettendola in rotazione il suo comportamento cambia in modo radicale e spettacolare: l'aria che sta sul lato che si muove in avanti viene trascinata più a lungo sulla superficie della palla stessa e si stacca più tardi. L'aria che si trova sul lato opposto invece si stacca prima.

Poiché il pallone ruota e, contemporaneamente, avanza nell'aria si vengono a determinare differenti interazioni tra il flusso d'aria di avanzamento e i flussi concentrici prodotti dalla rotazione. Dove i flussi sono concordi la velocità dell'aria sulla superfice del pallone aumenta mentre, dove avvengono in direzioni opposte, si contrastano e la velocità dell'aria sulla superfice del pallone diminuisce. Per il principio di Bernoulli la pressione dell'aria sul pallone sarà più bassa sul lato dove l'aria scorre velocemente e più alta dove scorre più lentamente.La risultante di queste due pressioni sarà una forza F (freccia azzurra) che accentuerà la curvatura della traiettoria: questo fenomeno viene chiamato Effetto MAGNUS.

P = Pressione dell'aria sulla superfice del palloneF = Forza risultante dalla differenza di pressione

L'EFFETTO MAGNUS APPLICATO IN SITUAZIONE DI GIOCO

Nella realtà del gioco l'effetto Magnus viene utilizzato in moltissime situazioni, ad esempio nei calci d’angolo, anche se le più spettacolari sono quelle relative ai calci di punizione con barriera.L'effetto Magnus produce però traiettorie diverse a seconda del piano di rotazione più o meno inclinato.

Ora vediamo due situazioni diverse in cui Eurogoal simula alla perfezione questo tipo di traiettorie in modo da creare situazioni di gioco particolarmente allenanti.  

- Tiro con ruote orizzontali o leggemente inclinate (Max 15°)Lo scopo è quello di aumentare la curvatura del pallone sul piano orizzontale per raggiungere un bersaglio evitando i giocatori avversari.

Come si vede la palla viaggia lungo una traiettoria che tende, in questo caso, a rientrare verso la porta.

 - Tiro con ruote inclinate da 15° a 80°. Lo scopo è quello di aumentare

la curvatura del pallone prevalentemente sul piano verticale per superare in altezza la barriera e raggiungere la porta. Questo tipo di traiettoria viene utilizzata nel volley, nel tennis ed in altri sport dove viene chiamata TOP SPIN. 

Questo è un tiro molto spettacolare ed efficace che, tuttavia, risulta difficile da riprodurre in modo esatto con continuità. Il vantaggio di Eurogoal sta proprio nella precisione elettronica e meccanica che permette di generare ogni tipo di parabole e di velocità, senza sbagliare mai.

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SITOGRAFIA 1)Lezioni di fisicahttp://www.science.unitn.it/~fisica1/fisica1/appunti/mecc/appunti/dinamica/magnus.pdf

http://www.science.unitn.it/~fisica1/fisica1/appunti/mecc/appunti/dinamica/magnus/node1.html

http://ishtar.df.unibo.it/mflu/html/magnus.html

2)Informazione da Wikipediahttp://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_Magnus

3)Una rivista di scienze http://magazine.linxedizioni.it/2013/05/07/leggi-del-"pallone/

4)Un blog http://sapientemente.blogspot.it/2011/03/effetto-magnus-il-tiro-ad-effetto-nel.html

http://tagli.me/2013/06/28/calci-di-punizione-tutta-questione-di-fisica/

5) Simulazioni di tiri di calci di pallone per lo studio delle traiettoriehttp://www.globuscorporation.com/sporttechnology/ita/effetto-magnus-e-top-spin-2486.asp